梅特索爾電解槽介紹

梅特索爾(MetSol)鋁電解槽是由梅特索爾公司(MetSol Ltd.)研發(fā)的，于2017 年秋定型，目前已在黑山(Montenegro)卡普 (KAP)鋁廠實(shí)地運(yùn)行了約兩年，運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果完全達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，有良好的節(jié)能減排效果，適用于當(dāng)下全球所有的電解槽，所以筆者認(rèn)為它是通用的。它是一種低能耗的電解槽(LE槽，low energy cell )，理論上比現(xiàn)行電解槽的能耗約低1000 kWh／t鋁。2019年中國(guó)原鋁產(chǎn)量3504萬(wàn)噸 ,如果節(jié)能達(dá)到MetSol電解槽水平就可節(jié)約電350×108 kWh，如果平均電價(jià)按0.4元／kWh計(jì)算，可以獲得140億元的收益,而且在環(huán)保方面也會(huì)有更高的效益。

原鋁提取是能源密集型產(chǎn)業(yè)，能耗占原鋁總生產(chǎn)成本的30%～35%，同時(shí)能源成本還在持續(xù)上升，因此世界原鋁產(chǎn)業(yè)面臨著雙重壓力與挑戰(zhàn)：能耗大，溫室氣體排放多。這使北美與西歐一些原鋁生產(chǎn)企業(yè)不得不退出一部分產(chǎn)能，甚至全面關(guān)停。有的企業(yè)為了維持生產(chǎn)，不得不想方設(shè)法改進(jìn)工藝以節(jié)約能源。另外，為了改善環(huán)境，減少溫室氣體排放，一些政府組織出臺(tái)了碳排放稅或溫室氣體排放稅，迫使原鋁生產(chǎn)企業(yè)加快節(jié)能減排工藝研發(fā)。

梅特索爾槽結(jié)構(gòu)

梅特索爾槽與傳統(tǒng)鋁電解槽相比，外表上并沒有什么不同，但在電控系統(tǒng)與機(jī)械結(jié)構(gòu)方面作了不少改進(jìn)。

電氣系統(tǒng)

在電氣控制系統(tǒng)中, 梅特索爾槽采用了先進(jìn)工藝控制器(APC，Advanced Pro-cess Control)，APC是利用復(fù)式傳感器收集來(lái)的氧化鋁添加器數(shù)據(jù)，進(jìn)行一系列計(jì)算得到的信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)PLC(可編程的邏輯控制，Programmable Logic Contol)。可以將槽內(nèi)的物料平衡控制得很精準(zhǔn)，并能抑制陽(yáng)極效應(yīng),這種復(fù)式傳感器(multiple sensor)能提供物料的真實(shí)添加時(shí)間，這對(duì)工藝過(guò)程的大數(shù)據(jù)分析很重要,可連續(xù)優(yōu)化每一個(gè)槽的工藝過(guò)程與每一步操作。

APC可以輕松有效地使電解電流效率平均提高約1%，同時(shí)可使槽的工作電壓下降，因而噸鋁能耗可以下降300kWh～500kWh，而收益大的還在于陽(yáng)極效益，不但發(fā)生頻率大大減少，而且持續(xù)時(shí)間縮短。APC的另一個(gè)憂點(diǎn)是，能有效地清除槽底淤積物，因而CVD(陰極壓降，Cathode Voltage Drop)至少可減小10 mV。另外，APC與MetSol MPF(多點(diǎn)給料器，Multi Point Feeding)的聯(lián)合運(yùn)用可以生產(chǎn)純度≥98.80%的原鋁。

APC產(chǎn)品有兩種形式：一種是與現(xiàn)有電解槽微型計(jì)算機(jī)聯(lián)成一體；另一種是形成一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，安裝于一間獨(dú)立的控制室內(nèi)?，F(xiàn)在梅特索爾公司都有現(xiàn)成產(chǎn)品供用戶選擇。

機(jī)械系統(tǒng)

高性能陽(yáng)極系統(tǒng)(HPAA)

梅特索爾公司可以提供高性能的陽(yáng)極系統(tǒng)( HPAA, High Performance Anode Assembly)與高性能立柱(HPAS, High Performance Anode Stub)，它們實(shí)際上都組裝在一起。這種Metsol HPAA是用鋼包銅芯材料制成的，因而不會(huì)有大的電壓降，同時(shí)由于銅的電阻小與良好的導(dǎo)熱能力，從而可進(jìn)一步提升槽電流。

多點(diǎn)下料器MPF

梅特索爾槽多點(diǎn)下料器(MPF, Multi foint Feed )受到專利保護(hù)，由MPF硬件和工藝邏輯電路(PCL, Process Control Ligic )組成。硬件由模塊式漏斗、表殼破碎機(jī)和下料器組成，可很方便地裝于現(xiàn)行電解槽上部結(jié)構(gòu)上。另外，由于采用下料器，電解槽可加長(zhǎng)一些,因而可以加大電流，能量效率可大幅提升。

陰極

梅特索爾電解槽的高性能陰極(HPCA，High Perfor-mance Cathode Assembly) 是梅特索爾公司與碳味(CarboneSavoie)公司開發(fā)的，碳味公司是德國(guó)一家大的鋁電解槽陰極炭素領(lǐng)跑者。

高佳能陰極的主要組成為：

內(nèi)有集流棒的陰極炭素塊砌體(Carbon cathode block),電解槽的基本組成之一；

電補(bǔ)償板(ECPs, Electrically Compensating plates)與接觸塞( CP, Contact Plug )。它們能確保電流分布均勻，從而降低陰極壓降( CVD, Cathode Voltage Drop ),還能促進(jìn)槽內(nèi)電流垂直流動(dòng)，改善電流效率。

采用高性能陰極后，槽內(nèi)鋁的流動(dòng)放慢了，不但陰極磨損顯著下降,而且流型得到改善。

空氣冷卻陰極凸耳(ACCT)

空氣冷卻陰極凸耳(ACCT, Air cooled Cathode Tab)是一片以空氣冷卻的螺釘連接的接線片，以降低電阻，從而減少能耗。陰極凸耳可消除螺釘接線的集流桿上綠色滲出物的形成，從而減少壓降，ACCT通常以單件供應(yīng)，可在市場(chǎng)上買到。

銅芯集流桿(CCCB)

銅芯集流桿( CCCB, Copper Cored Collector Bar)是用鋼包銅棒制的， 是一項(xiàng)專利技術(shù)，可減少槽的工作電壓100 mV以上，也就是說(shuō)工作電流至少可增加10%。此工藝已在現(xiàn)行電解槽上試用三年有余，取得了良好的效果。最明顯的是：電壓下降100 mV,陰極腐蝕減少，槽齡延長(zhǎng)。CCCB技術(shù)可使現(xiàn)行電解槽的電流強(qiáng)度加大，從而提升產(chǎn)量。因此，CCCB的制造加工至關(guān)重要，關(guān)注焦點(diǎn)：

必須注意熱循環(huán)與蠕變；

運(yùn)轉(zhuǎn)與停槽時(shí)應(yīng)注意結(jié)構(gòu)維護(hù)／電氣裝備的完整性；

系統(tǒng)必須有彈性(靈活性)，不能超過(guò)1000℃。

所有的元器件可單件供應(yīng)，也可以以一個(gè)完整槽的形式供應(yīng),以后一種形式供應(yīng)時(shí)可以取得最大的節(jié)能減排效果，在經(jīng)濟(jì)上也更可取(表1)。

梅特索爾電解槽的鑒定

梅特索爾電解槽的鑒(評(píng))定模型見表2,對(duì)影響成本與節(jié)電最大的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了鑒(評(píng))定,采用銅具有最大的節(jié)電效果。

試驗(yàn)槽1是首臺(tái)參與鑒定的槽，相當(dāng)簡(jiǎn)單，僅帶有Sic斷路器節(jié)點(diǎn)的多點(diǎn)下料器(MPF)，后來(lái)增加了工藝控制器(APC，Process Cntrol),在其他3種槽參與鑒定試驗(yàn)之前，它已運(yùn)行了約2年。

試驗(yàn)槽2及3是完全的也即是“全幅武裝的”梅特索爾槽，用的是有4個(gè)斷路器點(diǎn)(four breaker point)的多點(diǎn)下料器，對(duì)陽(yáng)極桿作了改造，中間開了一條較寬的中央槽。

試驗(yàn)槽4的結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)槽2、3相似，不同的是沒有任何銅制元件，因此沒有用高性能陽(yáng)板系統(tǒng)(HPAA)和銅芯集流棒(CCCB)。

梅特索爾槽的效能

通過(guò)在黑山卡普鋁廠2年多的試運(yùn)行與科學(xué)鑒定，梅特索爾鋁電解槽的效能與優(yōu)點(diǎn)可概括如下（見表3）：

電能消耗下降760 kWh／t鋁；

電流效率(CE，current efficiency)上升1.2%；

陽(yáng)極效應(yīng)(AE，anode effect)大幅度減少；

炭素消耗下降40kg／t鋁；

陰極壓降(CVD, Cathode Votage Drop)減小60mV。

如果卡普鋁廠所有的電解槽都升級(jí)為梅特索爾槽，那么工廠的原鋁提取成本可下降到1650USD／t鋁，已突破倫敦金屬交易所(LME)的底線,著實(shí)難能可貴。另外,梅特索爾槽裝備一但安裝與調(diào)試完畢即可轉(zhuǎn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn)與獲得收益。

將現(xiàn)有的電解槽改為梅特索爾槽工程量不大,投資也不多,投資回收期(ROI)還不到一年，所有的現(xiàn)行電解槽都可以順利地改為梅特索爾槽,除了陰極設(shè)備如高性能陰極(HPCA)外,其它的都可以在電解槽正常運(yùn)行時(shí)安裝，可以迅速安全換裝。

結(jié)束語(yǔ)

據(jù)德刊《Aluminium·1-2／220:56-59》報(bào)道,梅特索爾電解槽已在黑山卡普(KAP)鋁廠正常運(yùn)轉(zhuǎn)兩年多，電耗低于12700kWh／t鋁,這可是破世界紀(jì)錄的，在原鋁提取發(fā)展史上具有劃時(shí)代意義。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年2月，我國(guó)原鋁建成產(chǎn)能約為4151萬(wàn)噸／年，運(yùn)行產(chǎn)能約為3556萬(wàn)噸／年。如按平均能耗13531kWh／t鋁計(jì)算,比梅特索爾槽約高831kWh／t鋁，如此一來(lái)，整個(gè)鋁電解產(chǎn)業(yè)就多消耗了約295×108kWh電能，這是非常龐大的數(shù)字，從而也說(shuō)明了我國(guó)鋁電解產(chǎn)業(yè)有著很大節(jié)電潛力。

筆者編譯此文目的就是希望有關(guān)企業(yè)如認(rèn)為有必要，不妨深入了解一下，到黑山卡普鋁廠去看看,據(jù)稱美國(guó)、印度、加納都已引進(jìn)此技術(shù)。